JP2022550382A - 単結晶シリコンウェーハの製造方法 - Google Patents

Abstract

本願は、単結晶シリコンロッドの径方向又は軸方向に沿って単結晶シリコンロッドを切断して単結晶シリコン基板（００３）を得るステップと、湿式エッチングによって、単結晶シリコン基板（００３）の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、化学気相成長によって、単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、多孔質シリコン構造上に単結晶シリコン薄層を成長するステップと、多孔質シリコン構造から単結晶シリコン薄層を剥離して、単結晶シリコンウェーハを得るステップと、を含む単結晶シリコンウェーハの製造方法を提供する。本願は化学気相成長法で単結晶シリコンウェーハを直接製作する生産性を向上させることができ、且つシリコンウェーハ製造のプロセス工程を従来の電池製造の拡散エミッタに属する工程と一緒に融合したことによって、太陽エネルギー単結晶シリコン電池の製造コストを著しく低減した。【選択図】 なし

Description

本願は、単結晶シリコンウェーハの製造に関し、特に、太陽電池に用いられる単結晶シリコンウェーハの製造方法に関する。

シリコンの単結晶は、大体完全な格子構造を有する結晶である。異なる方向は異なる特性を有し、良好な半導体材料である。高純度の多結晶シリコンを用いて、チョクラルスキー法またはゾーンメルト単結晶炉内で溶融して引き上げて製造され、引き上げされた結晶棒は、バンドソーまたはワイヤーソー切断機によってシリコンウェーハに切断される。また、近年では、インゴットの鋳造方法を用いて単結晶シリコンインゴットを鋳造することも現れており、その結晶品質は、チョクラルスキー・ゾーンメルト法による単結晶よりも低く、太陽光発電業においてのみ使用される。単結晶シリコンウェーハは、半導体デバイス、太陽電池等の製造に用いられる。

従来の単結晶シリコンウェーハ技術の技術的アプローチは次のとおりである。
まず、石英砂（成分は主にシリカ及び不純物）とコークスを用いて電気炉内で製錬還元して９８％ぐらいの金属シリコン（不純物は主にアルミニウム、鉄、カルシウム等の金属成分である）を得る。
次に、金属シリコンを用いてハロゲン化合物と反応させ、化学的精製によって高純度のハロシランを得る。通常はトリクロロシラン、四塩化ケイ素、ジクロロシラン、六塩化二ケイ素である。さらに、均等化反応によってシランを得ることもある。
そして、これらの高純度のトリクロロシラン、またはシラン等を前駆体として還元炉または流動床等の反応設備に通す。還元炉は、対になるシリコンロッドを製造することができ、流動床は、球状のシリコン粒子を製造する。
さらにその後、破砕されたシリコンロッドまたは粒子状シリコンを石英坩堝に充填し、チョクラルスキー法（ＣＺ法とも呼ばれる）またはゾーンメルト法（ＦＺ法）によって単結晶丸棒を製造するか、またはインゴット法によって準単結晶または多結晶シリコンインゴットを製造する。
最後に、シリコンインゴットまたはシリコンロッドの外周、先端部・後端部を削除し、スクエアリングした後、バンドソーまたはワイヤーソーを用いてシリコンウェーハにスライスする。

通常、シリコンインゴットまたはシリコンロッドは、その外周、先端部・後端部を削除して、スクエアリングすることにより、大量の切り落としが残る。バンドソーやワイヤーソーによるシリコンウェーハの切断時には、バンドソーの刃とワイヤーソーのワイヤが共に一定の厚さを有するため、刃とワイヤに接触されたシリコンインゴットのシリコンロッドが機械的に粉砕されて切削液に入ることを刃先や切断ロスという。現在のソーラーウェーハの技術は、ウェーハの厚さが１５０～１８０ミクロンであり、刃先ロスが８０ミクロン程度にあり、近い将来には５０ミクロンの刃先ロスに進歩する可能性がある。これらの切り落としと刃先ロスの合計は５０％ぐらいまでに達し、即ち５０％の高純度多結晶シリコン原料のみがシリコンウェーハとなった。且つ多結晶シリコン原料の還元工程は１０００℃以上の高温（シラン流動層はやや低くて６００～８００℃である）での工程であり、結晶を引き上げるにはシリコン材料を溶融し、１４００℃を超えて加熱する必要があり、中国の多結晶シリコン原料工場と単結晶シリコン工場は、あくまで自前で発電所を建設するか、または新疆ウイグル自治区や内モンゴル自治区などの電気価格の低い坑口発電所（石炭の輸送コストをなくするように、炭鉱の坑口に発電所を建設することを指す）に移転して発電所の直接電力供給を使用して電力網の使用料を省き、又は水と電気の豊富な地域における豊水期の低価格の水力発電を利用して生産における電力コストを低減する。このほか、単結晶引上げには、石英坩堝、黒鉛坩堝、黒鉛ヒーター、ワイヤーソーの鋼線がいずれも消耗材として必要であり、多くのコストがかかる。

発明の解決しようとする課題

本願は、高純度の多結晶シリコンによって結晶を溶融製造し、結晶を切断する従来のアプローチを使用せず、シランまたはハロシランの前駆体を直接使用して化学気相成長法によって単結晶シリコンウェーハを得る高生産性・低コストの技術を提供する。

第１の態様として、本願の実施形態は、
単結晶シリコンロッドの径方向又は軸方向に沿って前記単結晶シリコンロッドを切断して、単結晶シリコン基板を得るステップと、
ウェットエッチングによって、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、
単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、化学気相成長によって、前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造上に堆積させるステップと、
前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップと、を含む単結晶シリコンウェーハの製造方法を提供する。

いくつかの実施形態では、ウェットエッチングによって、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップは、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面にそれぞれ一対の負電極を設けて電流を印加すると共に、前記頂面及び底面に前記多孔質シリコン構造をエッチングするステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造上に化学気相成長によって堆積させるステップは、
前記単結晶シリコン基板を前記化学気相成長のための反応チャンバ内のブラケット上に配置し、前記単結晶シリコン基板を加熱し、前記反応チャンバに前駆体ガスを導入し、前記前駆体ガスを前記頂面及び前記底面の前記多孔質シリコン構造に接触させることによって、前記多孔質シリコン構造上に前記単結晶シリコン薄層を堆積させるステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップは、前記単結晶シリコン薄層を剥離する前に、所要の前記単結晶シリコンウェーハのサイズに応じて前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造までに切断し、切断された前記単結晶シリコン薄層を剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るか、又は
前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離し、剥離した前記単結晶シリコン薄層を所要の前記単結晶シリコンウェーハのサイズに応じて切断して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、単結晶シリコン薄層を剥離する前に、前記単結晶シリコン薄層が前記頂面及び前記底面に堆積された前記単結晶シリコン基板を太陽電池のプロセス装置に入れ、前記単結晶シリコン薄層毎に太陽電池の片面調製プロセスを実施するステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、前記化学気相成長を行う時、化学気相成長反応からのテールガスを収集し、前記テールガスは前記反応に参加しなかった前駆体ガス、ドーピングガス、及び前記反応の副産物ガスを含むステップと、
分離装置により収集した前記テールガスを分離して前記反応に参与していない前駆体ガス及び前記反応の副産物ガスを得るステップと、
分離して得られた前記反応に参与していない前駆体ガスを前記化学気相成長に用いて、及び／または分離して得られた前記副産物ガスを原料として前記化学気相成長のための前記前駆体ガスを合成するステップと、をさらに含む。

いくつかの実施形態では、前記多孔質シリコン構造から前記単結晶シリコン薄層を剥離した後、ウェットエッチングにより、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、
単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、化学気相成長によって、前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造上に堆積させるステップと、
前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップと、をさらに含む。

いくつかの実施形態では、前記単結晶シリコン基板の厚さが下限閾値まで減少したときに、前記多孔質シリコン構造のエッチングを停止し、前記単結晶シリコン基板上に前記単結晶シリコン薄層を堆積させることによって、前記単結晶シリコン基板の厚さを増加させるステップをさらに含む。

いくつかの実施形態では、前記単結晶シリコン基板は、幅が５０ｍｍ～５００ｍｍ、長さが５０ｍｍ～５ｍ、及び厚さが１０μｍ～１０ｍｍである。

本願の実施形態と従来技術とを比べて、主な区別及びその効果は次のとおりである。

本願の実施形態によれば、化学気相成長法により単結晶シリコンウェーハを直接製造する方法の生産性を向上させることができ、かつシリコンウェーハ製造のプロセス工程を従来の電池製造に属するエミッタ拡散工程と融合させることによって、単結晶シリコン太陽電池の製造コストを著しく低減することができる。例えば、
１、単結晶シリコン基板の両面に単結晶薄膜シリコンウェーハを同時に堆積させ、化学気相成長装置の生産能力を倍増させ、設備の投資コストを半分に低減する。
２、単結晶シリコン基板の両面に多孔質シリコンを同時にエッチングして、多孔質シリコンの製作コストを半分に低減する。
３、ＣＺ法で単結晶ロッドを引き上げて、切断に長方形の両面単結晶シリコン基板を使用することで、面積が現在の１５６ｍｍ角、１６６ｍｍ角のシリコンウェーハ、ひいては２１０ｍｍ角のシリコンウェーハよりも大きい、例えば、１６６ｍｍ×４２００ｍｍである単結晶シリコン電池を得ることができる。現在のシリコンウェーハ及び電池のコストの低下が迅速であるが、モジュールパネルのガラスなどのコストの変化が遅いため、シリコンウェーハや電池のコストを犠牲にしてモジュールのパワーを向上させるためのモジュールのコストを低減する技術が多く現れ、より大きな面積のシリコンウェーハは電池製作モジュールのプロセス部分のコスト低減の助けになる見込みがある。
４、両面堆積の場合、黒鉛サセプタ（またはキャリアプレートと呼ばれる）が使われない設計を使用した。１枚当たり１．３米ドルの黒鉛サセプタの償却コストを減らした。化学気相成長によるシリコンウェーハの直接製造方法の運用コストが多結晶シリコンのシリコン材料＋結晶成長＋スライスの技術的アプローチより低いことを確保した。
５、単結晶シリコン薄膜が堆積された単結晶シリコン基板から単結晶シリコンウェーハを剥離することなく、全体を電池設備に入れて電池プロセスを行う。裏面マスクの堆積と、マスクの除去との２つのプロセス工程を省くことができ、電池製作の投資及びコストを約１０％低減することができる。
６、さらにその場で化学気相成長によってエピタキシャルエミッタを製作し、電池設備の投入をさらに減らすことができる。
７、切断損傷を除去する洗浄設備の投入を減らした。
８、多孔質シリコンを裏面光閉じ込め構造として用い、電池の効率をさらに向上させる。
９、化学気相成長装置のテールガスを分離、精製、循環的に利用するので、１０％～１７％のコストを低減することができる。
１０、多孔質シリコンがエッチングされた後に薄くなった基板を化学気相成長法で循環的に利用することにより、コストを約２．８～５．１％削減する。

図１は、単結晶シリコン基板上に多孔質シリコン構造を両面エッチングし、その上に単結晶シリコン薄膜を化学気相成長によって成長させた概略図である。 図２は、ＣＺ法で単結晶丸棒を引上げて正方形の単結晶シリコン基板と長方形の単結晶シリコン基板を切り取った概略図である。 図３は、フッ化水素酸をベースとする電解液を用いて、単結晶シリコン基板上に多孔質シリコンを両面同時にエッチングする電気及び装置の概略図である。 図４は、フッ化水素酸をベースとする電解液を用いて、単結晶シリコン基板上にイン・ライン連続の方式で多孔質シリコンを両面同時にエッチングする電気装置の概略図である。 図５は、本願で使用されるサセプタ／キャリアプレートなしの単結晶シリコン基板上に単結晶シリコン薄膜を両面堆積させる化学気相成長装置の概略図である。 図６は、両面多孔質シリコン上に単結晶シリコン薄膜構造を堆積させる場合に、マスク及びマスク除去プロセスを省略し、剥離による裏面作成プロセスが行われていないＮ型ＴＯＰＣＯＮ高効率太陽電池の断面概略図である。 図７は、化学気相成長装置のテールガスの分離かつ循環的な利用のＢＦＤフローチャートである。 図８は、基板の製造から、多孔質シリコンの作製する、単結晶シリコンの堆積、電池前面プロセスの一部、閉ループで前駆体を利用すること、基板を循環的に利用するまでの一実施例のＢＦＤフローチャートである。

本願実施例の目的及び技術手段をよりはっきりさせるために、以下、本願実施例の添付図面を参照しながら、本願実施例の技術手段について、完全、明解に説明する。明らかに、記載された実施例は、本願の一部の実施例であり、全ての実施例ではない。記載された本願実施例に基づいて、当業者は発明的な努力を費やさない前提下で得られた全ての他の実施例は、いずれも本願によって保護される範囲内に属する。

本願の実施形態によれば、単結晶シリコンウェーハの製造方法において、
単結晶シリコンロッドの径方向又は軸方向に沿って単結晶シリコンロッド材料を切断して、単結晶シリコン基板を得るステップと、
ウェットエッチングによって、単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、
単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、化学気相成長によって、単結晶シリコン薄層を多孔質シリコン構造上に堆積させるステップと、
単結晶シリコン薄層を多孔質シリコン構造から剥離して単結晶シリコンウェーハを得るステップと、を含む単結晶シリコンウェーハの製造方法を提供する。

以下、添付図面を参照して上記実施形態を具体的に説明する。図中、００１は堆積した単結晶シリコン薄膜、００２は多孔質シリコン層、００３は単結晶シリコン基板、００３Ａは一般的な正方形の単結晶シリコン基板、００３Ｂは長方形の単結晶シリコン基板、００４は単結晶シリコン丸棒、１０１は白金電極、１０２は電源正極、１０３は電解槽、１０４は電解液、１０５は反応チャンバ、１０６は赤外線ヒーターまたは誘導コイルヒーター、１０７は反応チャンバの吸気、１０８は反応チャンバの排気である。

ここで、図１は、単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングする概略図である。図１に示す００３の単結晶シリコン基板のように、電気化学的な手法により００３の単結晶シリコン基板の表裏面に両面の多孔質シリコン層００２を作製し、化学気相成長法により両面の多孔質シリコン層００２の上に単結晶シリコン薄膜を両面同時に作製した。多孔質シリコン００２の細孔を閉じた後、多孔質シリコン上に十分に必要な厚さの単結晶シリコン薄膜を成長させ、単結晶シリコン薄膜を、真空チャック、楔挿入などによって、多孔質シリコンの開口率が最も高く最もまばらな箇所から切断し、ひいてはレーザー切断を補助して、該プロセスを加速させる。このプロセスは、一般的に、基板から離れる方向に沿って引き裂かれるので、通常、剥離と呼ばれる。

図２は、単結晶シリコンロッドの径方向または軸方向に沿って単結晶シリコンロッドを切断して単結晶シリコン基板を得る概略図である。図２は、００３の単結晶基板を製造するための２つの具体的な実施形態を示す。００３Ａは、単結晶（チョクラルスキー法またはゾーンメルト法）丸棒の円周方向に沿って切断される。この方法は、よく見かける１５６ｍｍ角、１６６ｍｍ角のシリコンウェーハの単結晶シリコン基板を製造することができる。多孔質シリコンを作製し、単結晶シリコンを堆積させた後、１５６ｍｍ角、１６６ｍｍ角の単結晶シリコン薄膜を直接得ることができ、即ち、よく見かける正方形の単結晶シリコンを製造することができる。００３Ｂは単結晶シリコンロッドの長軸方向に沿って切断して長方形の単結晶シリコン基板を得る方法であり、この方法によれば、面積がいわゆるＭ１２の２１０×２１０ｍｍの正方形のシリコンウェーハをはるかに超える大きな（長方形の）シリコンウェーハを得ることができる。正方形のシリコンウェーハが必要であれば、長方形の単結晶シリコン薄膜を基板から剥離してから複数の正方形のシートに切断したり、単結晶シリコン薄膜を多孔質シリコンまでに切断してから複数の正方形のシートに剥離したりすることができる。

図３は、単結晶シリコン基板上に両面多孔質シリコンを作製する具体的な実施形態である。００３は単結晶基板、１０１は一対の対称に配置された白金電極、１０２は電源正極、１０３は電解槽、１０４は多孔質シリコンを腐食する電解液である。一般に、白金電極は、単結晶シリコン基板に平行な、基板とほぼ同じ大きさの平面を巻回等により構築することにより、並列の均一な電流を形成し、得られる単結晶シリコン基板が良好な均一性を有するようにする必要がある。対称性のために、この方法は、基板の２つの表裏面に、続いてくる化学気相成長のための開始面として、対称な多孔質シリコン層を製作することができる。

図４は、イン・ライン等速連続製造方式で単結晶シリコン基板上に両面多孔質シリコンを製造する具体的な実施形態である。００３は単結晶基板、１０１は一対の対称に配置された白金電極、１０２は電源正極、１０３は電解槽、１０４は多孔質シリコンを腐食する電解液である。該図は側面図であり、即ち、基板が水平に配置され、電極がそれぞれ上下に配置されている。イン・ライン等速連続生産方式は、基板が垂直であり、電極が左右に配置されているように設計することもでき、即ち、図４は上面図とみなすことができる。
基板は、一方の側から電解槽に等速で入り、他方の側から離れて、多孔質シリコンを両面で同時に連続的にエッチングする。時空上の対称性のため、いくつかの実施形態では、基板の大きさに等しい平行電極を使用することができ、白金線を１つまたは複数のワイヤ電極として簡単に使用することもでき、白金線は基板に平行であり、白金線の方向は基板が進行する方向に垂直であればよい。基板の等速前進は、ローラまたはリニアモータを用いて行うことができる。

図５は、本願で使用されるサセプタ／キャリアプレートなしの単結晶シリコン基板上に単結晶シリコン薄膜を両面堆積させる化学気相成長装置の一実施例である。００３の基板を１０５の反応チャンバにロードし、反応チャンバの材質は石英であることが好ましく、１０６は赤外線ヒーターまたは誘導コイルであり、反応チャンバを介して００３の基板を加熱する。反応チャンバの前駆体入口１０７を介して前駆体を導入し加熱した後、反応を開始し、１０８は反応チャンバの前駆体出口である。いくつかの実施形態では、基板は、通常ボートと呼ばれるブラケット上に配置することができるため、ボートは、黒鉛サセプタまたはキャリアプレートのように基板の片面が前駆体に接触するのを阻止することなく、基板の両面に化学気相成長が行われ、それによって両面堆積が達成され、１枚の基板の表裏面に２枚の単結晶シリコンウェーハが同時に製作される。前駆体ガスは、例えば、ケイ素含有ハロゲン化物（ハロシラン）四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、六塩化ケイ素またはシラン、ジシラン及び水素である。

本機台がエピタキシャルを成長する時、同時にドーピングガスを導入すると、その場でエピタキシャルエミッタを実現することができる。本実施形態では、基板が連続的に等速運転されるイン・ラインエピタキシャル炉になるようにさらに機台を設計し、基板が載置されたボートを反応チャンバに沿って他側に搬送することができ、進行方向の薄膜膜厚や抵抗の均一性を向上させることができる。反応チャンバの両側は、エアナイフによって隔離される必要がある。本実施例の図面は、垂直型反応チャンバであり、イン・ラインデザインの両端に共にシリコンウェーハの出入りのためのスペースを必要とするため、イン・ライン方式の本実施例は、水平型反応チャンバデザインを使用する傾向がある。垂直設計の場合は、装置があまりにも高くて大きくなる。基板は水平方向に沿って移動する。

この他、図面に示されているのは、長方形基板の実施例であり、そのために、基板の長辺が反応チャンバの軸方向に沿って配置されるほかない。正方形基板を使用する場合、本実施例では、基板を反応チャンバの軸方向に対して垂直に配置することができ、即ち、正方形基板を反応チャンバの円形断面上に配置することができる。重力及び黒鉛サセプタまたはキャリアプレートが反応前駆体を遮蔽することを要求することができないため、垂直反応チャンバにおけるシリコンウェーハを収容するためのウェーハボートの形状設計がかなり煩雑になり、且つ裏面が依然として遮蔽される。したがって、配置方式は反応チャンバの水平配置に適し、基板はウェーハボートに直立する。

一例として、１つの反応チャンバに６枚の１５６ｍｍ*９５４ｍｍの長方形基板が充填されている場合、１つの反応チャンバから６*（９５４ｍｍ／１５６ｍｍ）*２＝７２枚の１５６ｍｍのシリコンウェーハを製造することができ、６つの反応チャンバには、１回４３２枚のウェーハを装入（製造）することができ、前記の５００枚に近いウェーハを一回に装入する推計に該当する。このようなシステムは、黒鉛サセプタがなくても、１０００万人民元以下の建設コストで、ひいては５００万人民元の建設コストでさえあれば、完全にやり遂げることができる。本実施例は、イン・ライン連続前進方式を使用せず、バッチ式で一度に全て装入し、反応完了後に全て取り出してもよい。

図６は、本願において太陽電池における裏面拡散エミッタマスクを省いた実施例である。両面が堆積された基板を直接テクスチャリングした後に拡散し、即ち、図中のＰ＋の部分を製作し、バックマスクの製作及びバックマスクの除去の２つのプロセスを避けた。さらには、本願の化学気相成長装置にホウ素を直接ドーピングし、エピタキシャルエミッタ即ち図中のＰ＋の部分をＩｎ－Ｓｉｔｕ（その場）で製造し、テクスチャリングした後再び剥離し、裏面を製作するプロセスは、例えばＴＯＰＣＯＮ、焼鈍による表面鈍化及び金属化プロセスである。バックマスクの製作、ホウ素の拡散、及びバックマスクの除去という３つのプロセス工程を避けた。

図７は、未反応前駆体及び反応して生成した副産物を閉ループで利用する一実施例のフローチャートである。ここで、化学気相成長法の反応ＳｉＣｌ３Ｈ（ｇ）＋Ｈ２（ｇ）＜--＞Ｓｉ（ｓ）＋３ＨＣｌ（ｇ）は、テールガス中に主に未反応のＳｉＣｌ３ＨとＨ２、及び副産物であるＨＣｌと他のハロシラン、例えばＳｉＨ２Ｃｌ２、ＳｉＣｌ４などを含む。テールガスを収集して、分離した。トリクロロシランは精留精製された後に再び原料として反応チャンバに戻され、Ｈ２も原料として反応チャンバに戻され、ＨＣｌは精製された後に反応チャンバを洗浄する原料として循環されることができ、トリクロロシランが不足していれば、Ｓｉ＋３ＨＣｌ--＞ＳｉＣｌ３Ｈ＋Ｈ２のようにシリコンと反応させてトリクロロシランを合成し、精留精製した後に原料として使用することができる。シリコン及び塩化水素からトリクロロシランを製造することは、銅触媒を用いた放熱反応であり、工業上によく用いられるトリクロロシランを合成する成熟した技術である。反応副産物の数が多いため、その他の多くのハロシランは、ここで簡素化したＢＦＤ図には示されていない。

図８は、Ｎ型ＴＯＰＣＯＮ電池の場合の一実施例のフローチャートである。図６及び図８を参照し、Ｎ型電池の少数キャリア寿命が高く、電池効率が高いので、Ｎ型単結晶シリコンロッドの引き上げによって実現するのが困難であることを考慮して、本願の相対的な結晶棒引き上げを使用する技術的アプローチは、非常に有利である。化学気相成長により、Ｉｎ－Ｓｉｔｕでエミッタを成長するには、プロセスを変更する必要があり、かつ新しい表面パッシベーション層を研究開発する必要があり、技術的に可変要素が大きいので、バックマスク及びマスク除去プロセスを省略して、相変わらずホウ素拡散エミッタを使用する。同時に、単結晶シリコン基板が循環的に利用され、かつ基板損失の厚さが化学気相成長法によって修復される。しかも、利用可能な全ての装置テールガス、即ち未反応前駆体及び反応副産物が、図７の具体的な実施例のように閉ループで使用される。

単結晶シリコンウェーハの製造技術を以下に詳しく説明するが、単結晶シリコンウェーハの製造については、技術上のより直接的な実行可能なアプローチは、多結晶シリコン原料の製造、結晶成長（単結晶またはインゴット引き上げ）及びスライスのステップを飛び越し、高純度のシリコン含有前駆体（主にハロシラン（ハロゲン化ケイ素含有）及びシラン）を直接使用して、半導体産業において一般的に使用される化学気相成長法によって単結晶薄膜を成長させ、価格が低くて品質に優れた単結晶シリコンウェーハを得ることである。このアプローチは、太陽エネルギーシリコンウェーハが薄くなる（主流工場は既に１８０ミクロン以下である）傾向下で、ますます技術的な実現可能性を有している。代表的な反応は、トリクロロシランと水素を前駆体として反応させてケイ素と副産物である気相の塩化水素を生成して、高温下で堆積させることであり、その反応式は次の通りである。
ＳｉＣｌ３Ｈ (ｇ)＋Ｈ２ (ｇ)＜--＞Ｓｉ (ｓ)＋３ＨＣｌ (ｇ)
ここで、ｇは気相を示し、ｓは固相を示す。

刃先及びサイドウォールのロスを減らすことを除き、従来のCZ法で作った結晶及びインゴットは、共に石英坩堝を使用した。高温で、石英坩堝の二酸化ケイ素成分中の酸素は不可避的にシリコン液の対流に従ってシリコン結晶に入り、酸素とホウ素がドープされて形成されたホウ素-酸素複合はキャリアの寿命を低下させ、現在のCZ法で作った単結晶による電池の効率の減衰の主な原因である。ゾーンメルト単結晶は、溶融する過程の中で石英坩堝に接触せず、極めて低い酸素含有量を有し、長い間ずっと高効率の単結晶シリコン電池の製造における第１選択である。しかし、ゾーンメルト単結晶原料のコストは高く（シランシーメンス法を主として、生産能力が低くてコストが高い）、世界的な生産量は限られており、ゾーンメルト単結晶炉設備は硬軸を使用して設計されており、CZ法による単結晶引上技術に用いられたフレキシブルシャフト単結晶炉に比べて、加工精度の要求が高く、１台当たりの価格は約１０００万～２０００万人民元の範囲（１５０万～３００万米ドル）にあるため、ゾーンメルトによるシリコンウェーハは単結晶電池の一般的な原料とはならない。気相成長によって単結晶シリコンウェーハを直接得ることは、CZ法及びインゴットによるものの酸素含有量よりもはるかに低いことを実現し、ゾーンメルトによる単結晶シリコンと同じ品質を獲得することができる。したがって、化学気相成長法で直接製作したシリコンウェーハは、単結晶シリコン電池の減衰をさらに改善し、ひいては電池の変換効率を大幅に向上させる見込みがある。なお、Ｎ型単結晶ウェーハは、より高い遷移率及びキャリア寿命を有するため、ずっと高効率電池の重要な選択である。Ｎ型ドーピングの偏析係数のために、結晶の単結晶中にドーピングされた濃度分布の範囲がより大きくなるので、Ｎ型単結晶の抵抗値分布はより広くなり、Ｐ単結晶の引き上げに比べて難しさとコストがより大きい。Ｎ型化学気相成長は気相ドーピングであるため、ドーピングの分布をより良く制御することで、シリコンウェーハの抵抗値の均一性をより良くすることができる。

しかし、それでも、これは大きなチャレンジである。
通常、工業製品のコストは、２つの方面、即ち、資本投資による減価償却及びランニングコストから生じる。ランニングコストには、原料、消耗材や電力等が含まれる。先に述べたように、多結晶シリコンの製造は、同様に、トリクロロシラン及び水素ガスを前駆体とする必要があり、この部分のコストは、ほぼ同じである。単結晶引上げは、石英坩堝、黒鉛坩堝、黒鉛ヒーター、ワイヤーソーのワイヤなどの消耗材が必要であり、それらの量が化学気相成長よりもはるかに多い。化学気相成長における黒鉛サセプタは、コスト償却の主な部分であり、この項目が除去される場合、消耗材のコストは、主に、電力消耗及び前駆体のみを含み、多結晶シリコンの還元及び単結晶引上げの２つのプロセス工程は、いずれも１０００度を超えるものであり、大量の熱損失に伴って、合計で化学気相成長の１つの高温プロセス工程よりも高い。したがって、化学気相成長によるシリコンウェーハの直接製造は、ランニングコストの面で多結晶シリコン＋引き上げ＋スライスの３つのプロセス工程に相当、ひいては当該３つのプロセス工程より低くなるのは非常に容易である。
主なチャレンジは化学気相成長の設備コストに由来する。
１．主流である太陽エネルギー引き上げ単結晶炉の堆積速度は、１．×－２ｍｍ／ｍｉｎであった（２１０ｍｍ～２４０ｍｍの結晶棒、１５６～１６６ｍｍ角のシリコンウェーハ）。
２．多結晶シリコンを堆積させるための還元炉は、堆積速度が１時間当たり約１．２～２ｍｍである。
３．単結晶シリコン薄膜を堆積させるための市販の化学気相成長装置は、堆積速度が約１～６ミクロン／ｍｉｎ（８ミクロン／ｍｉｎと個別的に報告された場合がある）である。

現在の最新の多結晶シリコン材料、引き上げ／インゴット、スライスについての工場建設コストは、１ギガワット当たりわずか約６億人民元であり、１５６ｍｍのシリコンウェーハ１枚当たり５～６ワットで計算すると、年間約１億６０００万～２億枚の単結晶シリコンウェーハが生産される。多結晶シリコン原料工場に含まれるケイ素含有ハロゲン化物前駆体合成工場を除去すると、単結晶シリコン薄膜直接成長法を用いる工場に割り当て可能な予算は約５億人民元である。その他の設備や工場インフラストラクチャーの費用を除去すると、化学気相成長装置に投資可能な予算は、約２～３億人民元である。
また、現在の半導体産業で使用されている１２インチの単結晶シリコン薄膜を堆積させる化学気相成長法のエピタキシャル装置（基板上に単結晶シリコン薄膜を堆積させる技術はエピタキシャル技術とも呼ばれ、相応の単結晶シリコン薄膜はエピタキシャル層とも呼ばれる）は、２００万米ドル～１２００万米ドルまでの価格であり、対応するシリコンウェーハ堆積領域の面積は、ただ４～１６枚の１５６ｍｍの太陽電池シリコンウェーハだけに相当する。このような技術を使用すると、とても小さい太陽エネルギーシリコンウェーハの生産能力だけを得ることができる。１台の単結晶シリコン薄膜気相成長装置が、毎回５００枚を６μｍ／ｍｉｎの堆積速度で装入できると仮定すると、１５０μｍ厚さのシリコンウェーハ（６ワット／枚）が製造される。１時間当たり１０００枚の１５０μｍ角・１５６ｍｍ角のシリコンウェーハを製造することができ、１台の装置で年間８００万枚を製造することができる。１ギガワットに相当する規模のシリコンウェーハは、２０台の化学気相成長装置を必要とし、１台あたりの予算が約１５００万人民元であるコスト構造であればこそ、工場投資上において多結晶シリコン、引き上げ、スライスといった従来の技術的アプローチより低い。

したがって、従来の単結晶シリコン化学気相成長装置の変更が必要であり、低コストで加工製造することができ、且つ一度に多くのシリコンウェーハを装入する化学気相成長装置を設計することで、単結晶シリコン薄膜を直接成長させて、シーメンス法による多結晶シリコン－単結晶引上げ－スライスという技術的アプローチよりも安価な単結晶シリコンウェーハを得ることができる。

産業において、典型的なシリコン単結晶化学気相成長（エピタキシャル）装置の要素は次のとおりである。
１．反応チャンバ：高純度で高温に耐えられる石英材料製の反応チャンバである。
２．ヒーター：ヒーターは、透明な反応チャンバの外側に配置される赤外線ランプ、抵抗加熱器、または誘導コイルであってもよい。
３．反応チャンバ内には、高純度の黒鉛材料から製作された黒鉛サセプタ（トレイ、又はキャリアプレート）があり、この黒鉛サセプタ（トレイまたはキャリアプレート）は、シリコンウェーハを受けるのに用いられ、また、ヒーターからの熱を受けてから、放射及び熱伝導を介してシリコンウェーハに熱を伝達するのに用いられる。
４．反応ガスを反応チャンバ内に搬送する反応前駆体の搬送手段と、未反応の前駆体及び反応副産物を排出する排気手段と、を含む。

特に注目すべき点は、世界的に主流であるか、または大部分の化学気相成長による単結晶シリコン薄膜成長（即ち、エピタキシャル）装置のいずれも、黒鉛製のサセプタ（トレイまたはキャリアプレート）上にシリコンウェーハを配置し、このために、単結晶シリコン基板の黒鉛サセプタと接触する面が、単結晶シリコン薄膜の化学気相成長に十分な前駆体と接触することができない。黒鉛サセプタは、通常、赤外線ランプ、抵抗加熱器または誘導コイルによって加熱され、その後、シリコンウェーハに接触することによってシリコン基板の裏面を熱伝導の方式で加熱するので、基板を加熱する重要な一環である。したがって、加熱方式を設計する際に、基板の別の側の堆積に影響を与えないことを併せて配慮しなければならない。また、加工手段による制限を受けて、直径が３２インチ（８００ｍｍ）を超える高純度な黒鉛は、価格・納期のいずれも指数的に上昇することによって、装置のサイズ拡大が難題になる。なお、黒鉛サセプタは消耗材であり、長期使用後に破損するため、これらの部品は設備投資の上昇を招くだけでなく、使用コストが高いという問題も招く。

したがって、本願では、黒鉛サセプタ（トレイ、治具またはキャリアプレート）を直接除去したことによって、単結晶シリコン基板の両面堆積を実現した。現在の半導体用の化学気相成長単結晶シリコン装置において、黒鉛サセプタの価格は８００米ドル～４０００米ドルの範囲にある。８００米ドルのサセプタは、１枚の１５６ｍｍ角のウェーハに対応する１枚の８インチの円形のウェーハを担持することができ、２０００米ドルは、４枚の１５６ｍｍ角のウェーハに対応することができ、寿命は、通常、３００００ミクロンであり、１枚の１５６ｍｍ単結晶シリコンウェーハ当たりの厚さが８０ミクロンである場合、１枚の１５６ｍｍシリコンウェーハ当たりの黒鉛サセプタの償却は、（２０００米ドル／４）／（３００００ミクロン／８０ミクロン）＝１．３米ドルであり、これは、現在の引き上げ単結晶シリコンウェーハの販売価格（１枚当たり０．４５米ドル）の３倍である。
別の観点から見ると、５００枚を一回に積み込む設備の場合、使い捨てサセプタ（キャリアプレート）に２５万米ドルの資金が投入され、２００万人民元に近づく。これは非常に驚くべきことである。前の分析によれば、黒鉛サセプタを取り消した場合、主なランニングコストは、電力消費量及び前駆体のみを残し、又、装置が石英炉管をやはり使用している場合、石英炉管のような消耗材を含み、これらは、単結晶引上げ、多結晶シリコンのシリコン原料の製造において、いずれも相応ずる項目を有し、それによって、ランニングコストが多結晶シリコン＋引上げ＋スライスという従来のアプローチより低いことを本当にやり遂げた。

反応チャンバ内で化学気相成長法により単結晶シリコン薄膜を堆積させる対象は、前記の幅（５０ｍｍ～５００ｍｍ）、長さ（５０ｍｍ～５ｍ）、厚さ（１０μｍ～１０ｍｍ）の単結晶シリコン基板である。該単結晶シリコン基板は、表裏面に単結晶シリコン薄膜の成長及び成長後の剥離のための多孔質シリコン構造がエッチングされる。前駆体は、ケイ素含有ハロゲン化物四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、六塩化ケイ素又はシラン、ジシラン及び水素ガス等である。単結晶シリコン基板上の両面堆積によって、設備投資をほとんど増加させることなく、生産能力を倍にすることが非常に重要である。

先に述べたエピタキシャル炉の多くは、反応チャンバ内壁の環境に耐えることができるサセプタ（またはキャリアプレートと呼ばれる）によって間接的に加熱される。サセプタまたはキャリアプレートは、通常、ケイ素含有ハロゲン化物及びハロゲン化水素酸副産物による高温での侵食に耐えることができる高純度な黒鉛またはセラミックである。サセプタやキャリア自体は発熱せず、石英赤外ランプ、黒鉛ヒーター、金属抵抗加熱器、誘導コイルなどによってサセプタやキャリアプレートを加熱し、さらにキャリアプレートやサセプタを介してシリコン基板を加熱する。サセプタまたはキャリアプレートは、通常、シリコンウェーハ（本願では単結晶シリコン基板）を担持するためのものであるので、常にシリコンウェーハの裏面に密着し、前駆体が接触基板の裏面に膜をコーティングすることができないことを引き起こし、これによって、本願の両面堆積による単結晶シリコン薄膜を実現することができず、同時に表裏面２枚のシリコンウェーハを成長させて生産性を高める目的を達成することができない。

従って、本願は、サセプタまたはキャリアプレートを介して間接的に加熱するのではなく、赤外線ランプ、黒鉛（カーボン）ヒーター、炭化ケイ素ヒーター、誘導コイルなどの非接触方式で、両面が遮蔽されていない単結晶シリコン基板を直接加熱することができる。これらの単結晶シリコン基板は、１４１０℃まで加熱される。ヒーターは、通電される黒鉛などの抵抗式ヒーターであってもよいし、赤外線ランプであってもよいし、誘導コイルであってもよい。シリコンの基板は予めドーピングされているので、コイルに誘導されて誘導加熱される。ヒーターが基板をプロセス温度に加熱すると、前駆体は単結晶シリコン基板の表面を流れ、化学気相成長プロセスが始まる。

先に述べたように、化学気相成長による単結晶シリコンの堆積速度は、ＣＺ法による単結晶の堆積速度の数百分の１であり、多結晶シリコンの堆積速度の数十分の１である。したがって、いくつかの技術的アプローチは、電池の厚さを減少させることによって単結晶シリコンの堆積時間を減少させるように、３０～６０ミクロンオーダーの単結晶シリコン電池を堆積させることに専念して、このアプローチは、単結晶シリコン薄膜電池とも呼ばれ、従来のガラスまたはステンレス鋼ベースの多結晶シリコン薄膜電池とは対照的な関係である。このアプローチは、０～６０ミクロンオーダーの電池効率が厚さと正の相関があるという問題に直面し、その結果、現在の標準電池よりも超薄型電池の効率が低くなってしまう。

したがって、別の観点から見ると、本願の実施形態、即ち２倍の面積で単結晶シリコン薄膜を堆積させる場合、従来の片面堆積の３０～６０μｍの単結晶シリコンウェーハのコストは、両面堆積により８０～１２０μｍの単結晶シリコンウェーハを達成することができ、この厚さの電池は、現在主流の１５０μｍの技術にシームレスに適合することができる。即ち、本技術によれば、電池技術を現在の快適域から追い出すことなく、従来技術を迅速に利用して産業化を図ることができる。

化学気相成長による単結晶シリコン成長装置は、本願において、最も主要な工程として、単結晶シリコンウェーハの製造における設備投資及び製造コストの半分以上を占める。これに対して、多孔質シリコンをエッチングする湿式エッチング設備は、投資が小さくて生産性が大きい（多孔質シリコンは数ミクロンオーダーしか有しておらず、電気化学エッチングの速度は化学気相成長よりもはるかに速い）。続く剥離は、よくある公知技術であり、通常、単純な機械的剥離であり、コストが非常に低い。したがって、単結晶シリコンの生産性を同等の条件下で倍にする両面気相成長は、重要な経済的及び技術的価値を有する。

さらに、多孔質シリコンの上に化学気相成長で堆積された単結晶シリコン膜層の厚さは、多孔質シリコンの閉合した箇所から計算して１ミクロン～１ミリメートルである。

さらに、図８を参照すると、多孔質シリコンの上に化学気相成長で堆積された単結晶シリコン膜層の成長が完了した後、次の工程を行うことができる。この場合、２つの異なる選択がある。即ち、多孔質シリコン上の単結晶シリコン膜層を直接剥離するか、または剥離せずに、単結晶シリコン基板を、多孔質シリコンの上に化学気相成長させた単結晶シリコン膜層とともに、次の工程の太陽電池デバイスに送り込む。装置の間に互換性がある場合には、電池の一方の面のプロセスステップが全て完了した後に剥離を行い、その後、他方の面の電池プロセスの成長を行うことができる。

本願において、単結晶シリコンウェーハの裏面とは、多孔質シリコン構造に接する面を指し、表面とは、化学気相成長によって成長する面、即ちシリコンウェーハの裏面と対向する面を指し、つまり、表面の法線方向が化学気相成長の成長方向と一致する。一方、電池の表面とは受光面を指し、通常、この面には反射防止膜とピラミッド形状の光閉じ込め構造が成長しており、これによって、できるだけ多くの太陽光が電池構造に入射することを保証している。

剥離せずに電池製造設備に直接入ることの利点は、多くの電池塗膜及び拡散工程が、エッジひいては裏面にも少量の同じ膜層を堆積させる、その用語は、めっきの回り込みと呼ばれる。通常、エッチング工程によってエッジの巻回めっきを除去し、かつ裏面を保護するために裏面にハードマスクとして膜層（窒化ケイ素）を堆積させることが必要であるが、両面の基板の剥離されていない各単結晶シリコン薄膜シリコンウェーハ及び基板は、その裏面における対向するシリコンウェーハのハードマスクである。このようにして、ハードマスクの成長及びハードマスクの除去の２つのプロセス工程を省くことができる。
図８に示すＮ型ＴＯＰＣＯＮ電池の場合のように、表面テクスチャリング、ボロン拡散などの表面プロセスをやり遂げた後に、剥離及び裏面製作プロセスをすることができる。同様に、表面テクスチャリングと拡散などは、いずれも二重プロセスの恩恵を受けて、即ち、表裏面の２枚電池のテクスチャリングとエミッタのホウ素拡散を同時に達成することは、生産能力を拡大し、コストを低下させる。また、多孔質シリコンの両面を同時にエッチングする装置の構造は、テクスチャリング装置にも適用している。一方、単結晶シリコン基板の片面に単結晶シリコンウェーハを堆積させるには、この方法でも製作すれば、基板自体も回り込みめっきを遮ることができるが、基板を循環的に利用する必要があるため、やはり基板裏面へのめっきの回り込みを除去する必要がある。

この他、多孔質シリコン構造は、テクスチャリングと同様に光閉じ込めとして機能することができ、したがって、最適化された単結晶シリコン薄膜のシリコンウェーハの裏面の多孔質シリコン残留物は、直接光閉じ込め構造としてテクスチャリング工程を省略することができる。電池表面テクスチャリングの代わりにシリコンウェーハ裏面に多孔質シリコンを残しておくと、裏面の基板やシリコンウェーハをハードマスクとして機能させることができない。そのため、マスク堆積・除去のコストとテクスチャリングコストの高さを比較し、コストが低くて効果がより良い工程を選択して保留する必要がある。しかし、残留した多孔質シリコン構造を裏面としても、表面において湿式テクスチャリングを使用し続けているため、事実上の両面の光閉じ込め構造（表面テクスチャリング、裏面多孔質シリコン残留）が形成され、電池の変換効率の向上にも貢献することになる。

基板自体が裏面マスクとなる変形例として、シリコン単結晶を堆積させる化学気相成長装置でシリコン含有前駆体をパージした後、拡散用の反応ガスを流し込んで同様にホウ素拡散装置として用いることができる。例えば、Ｎ型ＴＯＰＣＯＮ電池の場合、表面ホウ素拡散は、通常、ＢＢｒ３及びＯ２を使用し、したがって、ＢＢｒ３及びＯ２のパイプラインを追加し、適切なプロセス制御ステップを適用するだけでよい。
４ＢＢｒ３＋３Ｏ２→２Ｂ２Ｏ３＋６Ｂｒ２ ２Ｂ２Ｏ３＋３Ｓｉ→４Ｂ＋３ＳｉＯ２
その中でも、三塩化ホウ素ＢＣｌ３及びジボランＢ２Ｈ６も、ホウ素の良好なドーピング源である。

同時に、さらに、単結晶シリコンの化学気相成長の最後の時点で、三塩化ホウ素ＢＣｌ３及びジボランＢ２Ｈ６のようなホウ素ドーパントが導入され、単結晶シリコン薄膜内にホウ素がドーピングされて、十分な厚さのエミッタが直接形成される。この方法は、技術的にエピタキシャルエミッタ、または、その場ドーピングエピタキシャルエミッタと呼ばれ、熱酸化シリコンを生成することがなく、即ち、不要なホウ素ガラスを生成することはない。このようにして、熱酸化ホウ素ガラスＢＳＧを除去するプロセス工程を省くことができる。同時に裏部が基板と裏面の単結晶シリコン層に遮られるので、裏面成長遮蔽用のＳｉ３Ｎ４などのハードマスクも不要であり、さらにこのマスクをエッチングプロセスで除去する必要もない。これにより、マスク成長、ボロン拡散、マスクのエッチング除去の３つのプロセス工程を省略することができる。電池製造のコストが大幅に低減される。実際の操作では、エミッタのエピタキシャルは、別の機台上で行われてもよく、同様に、同じ機台上のいわゆるその場ドーピングエミッタであってもよい。拡散エミッタの場合、接合の深さは、ドーピングの拡散によって制限され、濃度の曲線も拡散方程式に従う。文献によく見かける太陽電池のエミッタの深さは、０．３～３ミクロンであり、深い又は浅いエミッタのいずれも拡散技術によって得ることは難しい。エピタキシャルエミッタは、深い（厚い）エミッタを形成することができ、又は拡散原理によって制限されることがない。エミッタの異なる接合深さにおける濃度（抵抗）は、ドーピングガスの流量を調節することによってさえ制御することができる。しかし、同一の化学気相成長装置においてエミッタをＩｎ－Ｓｉｔｕで製作すると、テクスチャリングプロセスがエミッタ完了後に行われ、エミッタの形態に影響を及ぼす。

前記ボロンが拡散してエミッタ（またはボロンドープエピタキシャルエミッタ）を製作するのは、Ｎ型電池に関し、Ｐ型電池であれば、リンがドーピングされたＮ＋エミッタが必要である。原理は同じであり、使用されるドーピングなどはちょうど逆であり、マスク成長、リン拡散（リンエミッタのみをエピタキシャルする場合）、マスクのエッチング除去などの３つのプロセス工程を省くことができる。

この他、両面プロセスはマスク成長を省き、リン拡散（リンエミッタのみをエピタキシャルする場合）、マスクのエッチング除去などのプロセスは、ＴＯＰＣＯＮプロセスでないＰＥＲＴ、ＰＥＲＣ電池に適用する。

また、ワイヤーソーで切断した後、ワイヤーソーによって引き起こされたシリコンウェーハの表面損傷を除去するために、通常、テクスチャリング装置に組み込まれた洗浄工程がある。テクスチャリングする前（または後）に化学洗浄工程が追加され、テクスチャリングのための湿式装置において液体処理槽が追加されることは多い。気相成長法による単結晶シリコンウェーハは、このステップを省略することもできるが、完全な機台ではなく、テクスチャリング装置の液体処理槽及び相応の消耗材などの費用のみである。

最終製品が正方形のシリコンウェーハ又は電池シートを必要とする場合、剥離する前に必要な正方形のサイズに応じて多結晶シリコン薄膜を多孔質シリコン層までに切断し、正方形のシリコンウェーハ又は電池シートを剥離するか、又は長方形の薄いシリコンウェーハを剥離してから切断して正方形のシリコンウェーハ又は電池シートを得る。

１５０ミクロンの１５６ｍｍシリコンウェーハは、１枚当たり８．５グラムの重さで、１ギガワットのシリコンウェーハは、１億６０００万～２億枚の１５６ｍｍ角のシリコンウェーハを必要とし、１３６０トン～１７００トンの重さである。前駆体としてトリクロロシランが使用される場合、シリコンのモル重量は２８であり、トリクロロシランは約１３３．８９であり、損失を考慮せず、全てのトリクロロシランが単結晶シリコンへ１００％転化すると仮定しても、少なくとも約（１３３．８９／２８）＝４．７５倍、約６４６０～８０７５トンのトリクロロシランが前駆体として使用される必要がある。その中の塩素は５千～６千トンの塩化水素に変換される。実際のエピタキシャル装置では前駆体の２０～４０％しか薄膜として堆積しないことを考慮すると、装置に供給されるトリクロロシランの量は実際には理論値の２．５～５倍である。未反応前駆体中のケイ素及び塩素の成分の処理も考慮する必要がある。従来の電池工場または半導体チップ工場と同様に、アルカリ中和または燃焼処理によって数万トンの塩水放出が生じる場合、未反応のシリコンがこれに応じて生成した２千～５千トンの二酸化ケイ素は、固形廃棄物として埋立てまたはシリカを製造する必要がある。そのため、化学気相成長装置のテールガスを収集し、分離、精製した後に、外部から購入する原料よりも安価な原料として使用し、かつ環境への放出を大幅に低減することを考慮する必要がある。前駆体は、原料のうち比較的高価な部分であり、生産コストの大きな構成部分である。同時に、化学工業の観点から見ると、１０ギガワットの化学気相成長装置による単結晶シリコンウェーハ工場を建設すると、転換率が２０％の場合、（６４６０～８０７５）／２０％*１０＝３２万トン～４０万トンのトリクロロシランが必要である。トリクロロシラン合成プラントを自分で建設し、かつ全ての化学気相成長装置によるテールガスを閉ループで循環させる規模の経済性が達成されている（下表を参照）。

表２
１０ギガワット当たり化学気相成長で単結晶シリコンウェーハを直接製作するために必要なトリクロロシラン

また、化学気相成長装置にとって、例えば単結晶シリコンか堆積されたトリクロロシラン・水素ガス系では、反応温度、トリクロロシランと水素の割合が決定された後、比較的高いトリクロロシランの転化率は、往々にして反応チャンバ内の前駆体のより長い滞留時間を意味し、堆積速度の低減を招く。

アプライドマテリアルズ社からの２００ｍｍのシリコンウェーハＣｅｎｔｕｒａＨＧＲ機台の成長曲線によれば、トリクロロシランの流量は２０ＳＬＭから５ＳＬＭに減少し、即ち反応チャンバ内の滞留時間は４倍に増加し、堆積速度は６．×ミクロン／ｍｉｎから３．×ミクロン／ｍｉｎに減少し、即ち１／４倍のガス流量、堆積速度は１／２倍であり、ガス変換率は倍に増加したが、同じ膜厚を成長するためには２倍の機台が必要である。滞留時間を長くするには、ガス流速を高くせずに、反応チャンバ内のガス流れ方向の長さを増大してもよい。ある場合において、未反応前駆体は、延長された部分に流れて反応を続け、転化率を向上させる。しかし、反応チャンバの延長部分の前駆体の一部がすでに消費され、反応副産物が増加し、堆積速度が低減する。反応チャンバの延長部分には、大面積の低堆積速度領域を生じ、該低堆積速度領域の堆積速度はただ入口の高堆積領域の５分の１である。この２つの方法のいずれも、かえって高価な化学気相成長装置の台数が多くなり、経済的ではない選択となっていた。大型の化学工業でよく用いられる分離装置は、数万～数十万トンの前駆体を安価に分離して循環的に利用することができ、化学気相成長装置の前駆体反応転換率を高める場合より、効率とコストがはるかに優れている。

したがって、転化率への追求を放棄し、より高い堆積速度を追求し、化学気相装置の数を減らし、未反応前駆体を１つの化学プラントで循環的に利用することで、前駆体などのコストを下げるべきである。

シリコンウェーハまたは太陽エネルギー工場は、伝統上、化学工場ほどの化学物質の循環量を有しておらず、規制上、トリクロロシラン合成工場に対して異なる要求が適用されるので、たとえ自分で建設したトリクロロシランなどの前駆体及び他のガスの合成及び／又は循環精製工場としても、往々にして、化学工業の規制要求を満たすために独立した実体である。したがって、全ての化学気相成長装置のテールガスの閉ループリサイクルは、同じ工業団地または近い場所にある異なる実体の工場で行われてもよい。化学気相装置で収集されたテールガスは、パイプラインまたはタンクロールを介して、ガス（合成及び／又は循環精製）プラントに輸送され、分離処理されたガスが返送される。距離が増加し、ガス使用量が増加すると、タンクロールの輸送コストが著しく上昇する。合理的情況は、シリコンウェーハ工場とトリクロロシラン合成及び／又は循環精製工場とが互いに隣接しており、壁、河川や道路などで仕切られており、互いに独立した管理実体になり、未使用の前駆体と副産物をパイプで連結して循環使用することであり、このようにして、コストと管理面で共に最適である。

したがって、化学気相成長法によって単結晶シリコン基板の多孔質シリコン構造の上に単結晶シリコンを堆積させる場合には、化学気相成長装置のテールガスの出口にテールガスを収集し、その成分がハロゲン化ケイ素含有四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、六塩化ケイ素、シラン、ジシラン、水素等のような反応に参与しなかった前駆体、ドーピングガスである三塩化ホウ素、ホスフィン等と、ジクロロシラン（前駆体が非ジクロロシランである場合）、塩化水素等のような反応副産物ガスである。収集したテールガスを分離装置に通して、分離して未反応前駆体及び副産物を得た。分離して得られた未反応前駆体物質の量が要求を満たす場合は、そのまま化学気相成長装置に通して循環的に利用し、品質が要求を満たさない場合は、さらに精留した後に使用する。分離して得られた塩化水素はシリコンと反応してトリクロロシランを合成し、精製した後に本工場の使用に供し、ジクロロシランなどの高価値産物は外へ届けてチップ工場の前駆体として使用されることができる。

塩化水素は常圧常温で気体であるので、トリクロロシランは常圧で沸点が３５度であり、トリクロロシランと塩化水素との分離のエネルギー消費及び精留のエネルギー消費はとても低い。簡単に計算すると、塩化水素及びトリクロロシランを回収するコストはほぼゼロである。通常、単結晶シリコンの化学気相成長のコスト構造（設備の減価償却を含む）において、前駆体ガスのコストは約２５％～１５％であり、２０％転化率（４０％転化率の設備及びプロセスは極めてまれである）の場合、分離及び精製装置によるすべての循環を介して、前駆体をほぼ全部で低コストで循環利用することができ、分離及び精製のコストに算入すると、依然として前駆体のコストを全コストの５％～８％ぐらいに低減することができ、即ち、全コストは、１０％～１８％低減される。

剥離後の単結晶シリコン基板は、新たな多孔質シリコン層を再エッチングし、その上に単結晶シリコン薄膜を成長させ、再度剥離するように繰り返して循環使用する。

単結晶シリコン基板は、繰り返しエッチングされた多孔質シリコン層により、複数回の循環使用後の基板の厚さが低下して薄くなる。厚さがある閾値まで低下した時、多孔質シリコンのエッチングを停止し、単結晶シリコン基板の厚さが所要の閾値に達するまで、化学気相成長装置によって単結晶シリコン基板上に単結晶シリコン薄膜を直接堆積させる。それから、単結晶シリコンウェーハを前記の方法に従って製造し続ける。閾値は、１００μｍ～２ｍｍの間のある値であり、異なる基板サイズは、最小の基板厚さの下限閾値に対する要求が異なる。このように厚さの下限閾値を下回る単結晶シリコン基板は、繰り返し循環使用されることができる。

本願の実施形態によれば、単結晶シリコン薄膜を化学気相成長法により直接堆積させるコストは、単結晶シリコン引き上げ・切断よりも低くすることができる。したがって、単結晶シリコン基板の厚さを化学気相成長法によって補うことにより、基板の厚さの閾値下限を下回る基板を利用できるだけでなく、補充・成長した薄膜の部分のコストも単結晶シリコンの引き上げコストよりも低い。通常、最初の単結晶シリコン基板として７５０μｍ厚さのシリコンウェーハを使用し、４５０μｍまで薄化した後にシリコンウェーハの再製造を開始するように閾値を設定し、単結晶シリコンを製造する度に、一回に片面で３μｍが消費されると、５０回の循環の後に３００μｍが消費され、再び化学気相成長によって基板の厚さを増加し始める。単結晶シリコンウェーハ１枚当たり、それ自体の厚さを除いて３ミクロンの単結晶シリコンを消費することに相当する。４５０μｍの基板を循環利用せずに直接廃棄した場合、５０回の両面で計１００枚のシリコンウェーハに分担すると、１枚当たり厚さ４．５μｍの基板を廃棄したことに相当する。これは、毎回、単結晶シリコンウェーハ１枚当たり合計３μｍ＋４．５μｍ＝７．５μｍのシリコン層が消費されることに相当する。単結晶シリコンウェーハの厚さが８０μｍであると仮定すると、４．５μｍ／（８０＋７．５）μｍ＝５．１％の化学気相成長コストを低減することができる。

本願は上記の方法によって、総合的に利用し、化学気相成長法により単結晶シリコンウェーハを直接製造する方法の生産能力を高めると共に、シリコンウェーハ製造のプロセス工程を従来の電池製造に属する拡散エミッタの工程と一緒に融合し、それによって太陽エネルギー単結晶シリコン電池の製造コストを著しく低減した。
１．単結晶シリコン基板の両面に単結晶シリコン薄膜ウェーハを同時に成長させ、化学気相成長装置の生産能力を倍増させ、設備投資コストを半分に低減する。
２．単結晶シリコン基板の両面に多孔質シリコンを同時にエッチングし、多孔質シリコンの製作コストを半分に低減する。
３．ＣＺ法によって単結晶ロッドを引き上げて、切断には長方形の両面単結晶シリコン基板を使用することで、面積が現在の１５６ｍｍ角、１６６ｍｍ角のシリコンウェーハ、ひいては２１０ｍｍ角のシリコンウェーハよりも大きい、例えば、１６６ｍｍ×４２００ｍｍである単結晶シリコン電池を得ることができる。現在、シリコンウェーハ及び電池のコストの低下が迅速であるため、モジュールパネルのガラスなどのコストの変化が遅いため、シリコンウェーハ電池のコストを犠牲にしてモジュールのパワーを向上させるためのモジュールコストを低減する技術が多く現れている。より大きな面積のシリコンウェーハは電池製作モジュールのプロセス部分のコスト低減の助けになる見込みがある。
４．両面堆積の場合、黒鉛サセプタ（またはキャリアプレートと呼ばれる）なしの設計が使用された。１枚当たり１．３米ドルの黒鉛サセプタの償却コストを減らした。化学気相成長によるシリコンウェーハの直接製造方法の運用コストが多結晶シリコンのシリコン材料＋結晶成長＋スライスの技術的アプローチより低いことを確保した。
５．単結晶シリコン薄膜が堆積された単結晶シリコン基板から単結晶シリコンウェーハを剥離することなく、全体を電池設備に入れて電池プロセスを行う。裏面マスクの成長、マスクの除去の２つのプロセス工程を省くことができる。約１０％の電池製作の投資及びコストを低減することができる。
６．さらにＩｎ－Ｓｉｔｕで化学気相成長によってエピタキシャルエミッタを製造し、電池設備の投入をさらに減らすことができる。
７．切断損傷を除去した洗浄設備の投入を低減する。
８．多孔質シリコンを裏面光閉じ込め構造として用い、電池効率をさらに向上させる。
９．化学気相成長装置のテールガスを分離、精製、循環的に利用するので、１０％～１７％のコストを低減することができる。
１０．多孔質シリコンがエッチングされた後に薄くなった基板を化学気相成長法で循環的に利用することにより、コストを約２．８～５．１％削減する。

上記１０点のうち、第６点のＩｎ－Ｓｉｔｕでエピタキシャルエミッタを製造することについて、拡散エミッタよりもエピタキシャルエミッタの方が主流のパッシベーション層とは異なるパッシベーション技術を開発する必要があることが文献に報告されているほか、エミッタ製作後の電池効率へのテクスチャリングの影響は未知である。他の１～５及び～１０のいずれも、公開文献によりその生産性と効果の向上を確認することができ、本願に対してコスト生産性と効率の大きな向上があることを直接確認することができる。これらの節減したコストの合計の寄与は、６０～７０％以上に達することができる。また、多結晶シリコン原料のコストから計算すると、現在最もハイエンドの単結晶シリコン引き上げに適した単結晶が緻密な多結晶シリコン原料の価格は、１トン当たり税込で７．２～７．６万人民元（２０１９年上半期）であり、１５６ｍｍ・１５０ミクロンのシリコンウェーハの重さは約８．５グラムであり、（化学気相成長法では、各種の刃先とサイドウォールの損失を抜きにする）その多結晶シリコン原料のコストは、－７．６万人民元から計算して1枚シリコンウェーハのコストが約０．６４６人民元であり、約０．１米ドルである。化学気相堆積された単結晶シリコンウェーハは、シーメンス法による多結晶シリコンと同様に、高温前駆体としてトリクロロシラン及び水素ガスを使用する（反応が異なり、副産物が異なる）ので、消耗材のうち最も高価な黒鉛サセプタ（キャリアプレート）をなくした後、及び全ての前駆体と副産物を閉ループで循環させた後、直接堆積による単結晶シリコンウェーハ８．５ｇのコストは、シーメンス法による多結晶シリコン８．５ｇに相当するはずであると考えられる。そのコスト差は、主に、多結晶シリコンの場合、還元炉の生産能力がより大きいために、高温での外部への熱損失がより少ないことに起因する（注：シーメンス法による多結晶シリコンのコストを低減させる技術的アプローチの重要な一環として、ますます大きな還元炉及びますます高い１台当たりの生産能力に起因する還元電力消費の減少である）。この１５年に、国産の還元炉は、１２対の棒から６４対の棒に進歩し、還元電力消費は、１キログラム当たり１００～２００kW・hの電気から１キログラム当たり３５～４５kW・hの電気に減少した）。シーメンス法による８．５グラムの多結晶シリコンの２倍の価格で、シーメンス法による多結晶シリコンよりも高いことを招く可能性のある全てのコスト要因をカバーすると、単結晶シリコンウェーハを直接化学気相成長法で製作するコストは、（０．６４６人民元、約０．１米ドル）の２倍未満でなければならず、即ち、１．２９人民元が現在のレートで０．２米ドル未満でなければならず、これには、既にメーカーの利益と付加価値税が含まれている。通常、本発明者らは、シリコンウェーハのコストが、多結晶シリコン材料のシリコンコストと非シリコンコスト（引き上げ・スライス）との合計だとみなされる。下表の単結晶シリコンウェーハのコスト構造から、サイドウォール除去及び刃先損失のために、単結晶シリコンウェーハのシリコンコストは、シリコンウェーハの重さに相当するシリコンコストの約２倍であることが分かる。

つまり、化学気相成長法による単結晶シリコンウェーハの直接製造のコストは、従来のシリコンウェーハのコストとほぼ同じであり、全体の非シリコンコストが低減された。２０１９年に主流の単結晶シリコンウェーハメーカーの単結晶Ｐ型１５６ｍｍ・１８０μｍは、３．０７人民元と見積もられたので、この方法は非常に高いコストポテンシャルを有する。現在の主流の電池構造は、相変わらず８０～１２０μｍ厚さのシリコンウェーハに適用されており、大きな効率損失がないことが知られている。化学気相成長法によって単結晶８０μｍ厚さのシリコンウェーハを直接製造する場合、多孔質シリコン上の単結晶シリコン薄膜の堆積厚さが１５０μｍに対して半分になるので、1枚単結晶シリコンウェーハ１５６ｍｍ当たり０．１米ドルの売価が達成される見込みがある。このような厚さのシリコンウェーハでは、短期間に多結晶シリコン-単結晶引き上げ-スライスというアプローチによって実現することはできない。したがって、本方法によって製作された化学気相成長法による単結晶シリコンウェーハは、非常に強い市場競争力を有することになる。

ここで提供される明細書では、数多くの具体的な詳細を説明した。しかしながら、本願の実施例は、これらの具体的な詳細なしに実践できることを理解されたい。いくつかの例では、本明細書の理解を曖昧にしないように、公知の方法、構造、及び技術は詳しく示されていない。

類似に、本願を簡潔にし、様々な発明態様の１つ以上の理解を助けるために、本願の例示的な実施例の上記説明において、本願の夫々の特徴は、時には、単一の実施例、図面、またはそれらの説明に一緒にグループ化されることを理解されたい。しかしながら、このような開示の方法は、特許請求された本願が、各請求項に明記された特徴よりも多くの特徴を要求するという意図を反映するものとして解釈されるべきではない。より正確に言えば、本発明の態様は、特許請求の範囲に記載されているように、先に開示した単一の実施例の特徴の全てよりも少ない。したがって、具体的な実施形態に従う特許請求の範囲は、これによって、当該具体的な実施形態に明確に組み込まれ、その中の各請求項自体のいずれも本願の単独の実施例とする。

当業者であれば、実施例における装置中のモジュールを適応的に変更し、かつそれらを該実施例とは異なる１つまたは複数の装置に配置できることを理解することができる。実施例におけるモジュールまたはユニット或いはコンポーネントを、１つのモジュールまたはユニット或いはコンポーネントに組み合わせることができ、この他、それらを複数のサブモジュールまたはサブユニット或いはサブコンポーネントに分けることができる。このような特徴及び／又はプロセス或いはユニットのうちの少なくともいくつかが互いに排斥し合うことを除いて、本明細書（付き従う特許請求の範囲、要約書及び図面を含む）に開示されているすべての特徴、及びこのように開示された任意の方法または装置のすべてのプロセスまたはユニットは、任意の組み合わせで組み合わせることができる。本明細書（付き従う特許請求の範囲、要約書、及び添付図面を含む）に開示された各特徴は、別段の明確な陳述がある場合を除き、同一、同等または類似の目的を提供する代替の特徴と置き換えることができる。

この他、ここで述べたいくつかの実施例は、他の特徴ではなく、他の実施例に含まれる一部の特徴を含むが、異なる実施例の特徴の組み合わせは、本願の範囲内にあり、かつ異なる実施例を形成することを意味していることを当業者は理解するであろう。例えば、特許請求の範囲において、特許請求される実施例のいずれか１つは、任意の組み合わせで使用することができる。

用語「含む」は、請求項に列挙されていない素子又はステップの存在を排除するものではない。素子の前に位置する単語「１」または「１つ」は、複数個のそのような素子の存在を除外しない。本願は、若干の異なる素子を含むハードウェアによって、及び適切にプログラムされた端末装置によって、実現されるものである。若干の端末装置を列挙したユニット請求項において、これらの端末装置における若干個は、同一のハードウェア項目によって具現化され得る。第１、第２、及び第３などの語の使用は、いかなる順序も意味しない。これらの語を、名称として解釈することができる。

Claims (9)

1. 単結晶シリコンウェーハの製造方法において、
   単結晶シリコンロッドの径方向又は軸方向に沿って前記単結晶シリコンロッドを切断して、単結晶シリコン基板を得るステップと、
   ウェットエッチングによって、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、
   単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、化学気相成長によって、前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造上に堆積させるステップと、
   前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップと、を含むことを特徴とする単結晶シリコンウェーハの製造方法。
2. ウェットエッチングによって、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップは、
   前記単結晶シリコン基板の前記頂面及び前記底面にそれぞれ一対の負電極を設けて電流を印加すると共に、前記頂面及び前記底面に前記多孔質シリコン構造をエッチングするステップをさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
3. 化学気相成長によって、前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造に堆積させるステップは、
   前記単結晶シリコン基板を前記化学気相成長のための反応チャンバ内のブラケット上に配置し、前記単結晶シリコン基板を加熱し、前記反応チャンバに前駆体ガスを導入し、前記前駆体ガスを前記頂面及び前記底面の前記多孔質シリコン構造に接触させることによって、前記多孔質シリコン構造上に前記単結晶シリコン薄層を堆積させるステップをさらに含むことを特徴とする請求項２に記載の製造方法。
4. 前記多孔質シリコン構造から前記単結晶シリコン薄層を剥離して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップは、
   前記単結晶シリコン薄層を剥離する前に、前記単結晶シリコン薄層を所要の前記単結晶シリコンウェーハのサイズに応じて前記多孔質シリコン構造までに切断し、切断された前記単結晶シリコン薄層を剥離して単結晶シリコンウェーハを得るステップ、又は
   前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離し、剥離した前記単結晶シリコン薄層を所要の前記単結晶シリコンウェーハのサイズに応じて切断して前記単結晶シリコンウェーハを得るステップ
   をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
5. 前記単結晶シリコン薄層を剥離する前に、前記単結晶シリコン薄層が前記頂面及び前記底面に堆積された前記単結晶シリコン基板を太陽電池のプロセス装置に入れ、前記単結晶シリコン薄層毎に太陽電池の片面調製プロセスを実施するステップをさらに含むことを特徴とする請求項３に記載の製造方法。
6. 前記化学気相成長を行う時、化学気相成長反応からのテールガスを収集し、前記テールガスは前記反応に参加しなかった前駆体ガス、ドーピングガス、及び前記反応の副産物ガスを含むステップと、
   収集した前記テールガスを分離装置により分離して、前記反応に参与していない前駆体ガス及び前記反応の副産物ガスを得るステップと、
   分離して得られた前記反応に参与していない前駆体ガスを化学気相成長に用い、及び／又は分離して得られた前記副産物ガスを原料として前記化学気相成長のための前記前駆体ガスを合成するステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
7. 前記多孔質シリコン構造から前記単結晶シリコン薄層を剥離した後、ウェットエッチングにより、前記単結晶シリコン基板の頂面及び底面に多孔質シリコン構造をエッチングするステップと、
   前記単結晶シリコン薄層の厚さが所定値になるように、化学気相成長によって、単結晶シリコン薄層を多孔質シリコン構造上に堆積させるステップと、
   前記単結晶シリコン薄層を前記多孔質シリコン構造から剥離して単結晶シリコンウェーハを得るステップと、をさらに含むことを特徴とする請求項１に記載の製造方法。
8. 前記単結晶シリコン基板の厚さが下限閾値まで減少したときに、前記多孔質シリコン構造のエッチングを停止し、前記単結晶シリコン基板上に前記単結晶シリコン薄層を堆積させることによって、前記単結晶シリコン基板の厚さを増加させるステップをさらに含む請求項７に記載の製造方法。
9. 前記単結晶シリコン基板は、幅が５０ｍｍから５００ｍｍ、長さが５０ｍｍから５ｍ、及び厚さが１０μｍから１０ｍｍであることを特徴とする請求項１～８のいずれか１項に記載の製造方法。

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